Nos tempos do rato Wistar...

  

     A Química Medicinal tem observado contínua evolução, beneficiando-se dos inúmeros avanços tecnológicos. Interessante considerar-se sua transição, dos tempos do uso menos discriminado de animais de laboratório, especialmente do rato Wistar, co-autor não explícito de inúmeros papers, descrevendo inúmeras moléculas bioativas. Talvez não seja exagero, considerar-se o rato Wistar como co-inventor de diversos blockbuster ao longo das últimas décadas... En passant, lembro-me que a indometacina, descrita em 1962 pelos laboratórios MS&D [TY Shen, The discovery of indomethacin and the proliferation of NSAIDs, Seminars in Arthritis and Rheumatism, 1982, 12, 89. doi 10.1016/0049-0172(82)90004-x] somente foi descoberta porque Charles Winter e colaboradores [CA Winter, EA Risley, GW Nuss, Antiinflammatory and antipyretic activities of indomethacin, 1-(para-chlorobenzoly)-5-methoxy-2-methylindole-3-acetic acid,  J Pharmacol Exp Ther 1963, 141, 36997], desenvolveram o modelo do edema de pata de rato, induzido por carragenina, utilizando ratos Wistar!!!

     Levou-se algumas décadas para a transição dos tempos dos ratos Wistar à estratégia de desenho molecular baseados na estrutura do alvo terapêutico ou do seu ligante, as estratégias descritas pelas modernas siglas: SBDD e LBDD!! Óbvio que esta transição incorporou diversos avanços tecnológicos, alguns emprestados da Biologia Estrutural, da evolução das técnicas de difração de raios-X, dependentes da capacidade tecnológica dos equipamentos modernos, entre outros. Não houvéssemos desenvolvido habilidades de manipulação de estruturas proteicas complexas, entendendo seu papel em diversas fisiopatologias, inclusive crônicas, multifatoriais, nunca teríamos dado este salto a partir do Wistar até os dias da SBDD & LBDD!!
     Atualmente, não nos soa nem um pouco estranho, qualificar-se alguns padrões moleculares como “privileged scaffold” ou “privileged structures” com definições amplas em demasia, no meu ponto de vista! Aliás, cabe registro, a incrível “evolução” das publicações que tratam do papel dos grupos funcionais (os mais diversos) na Química Medicinal. Não são poucos os papers que descrevem a importância das hidroxilas, dos grupos nitro, do F etc... Até parece que, de repente, muitos pesquisadores “acordaram” para a importância destes registros.... e os grupos funcionais entraram no cardápio das “novidades” da Química Medicinal, embora já existissem há inúmeras  - põem inúmeras nisso - décadas, senão vejamos: inter-alia - K-D Wu et al., Acrylamide Functional Group Incorporation..., ACS Med. Chem. Lett. 2019, 10, 22; Y Pae, The Dark Side of Fluorine, ACS Med. Chem. Lett. 2019, 10, 1016; J Cramer et al., Hydroxyl Groups in Synthetic and Natural-Product-Derived Therapeutics: A Perspective on a Common Functional Group J. Med. Chem. 2019, 62, 000; DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b00179]...!!
      Recentemente, escrevi com dois dos meus melhores alunos de pós-graduação, Julia Galvez B. Pedreira (PPGQu, UFRJ) e Lucas S. Franco (PPGFQM< ICB-UFRJ), um paper tratando da intuição química, dos químicos medicinais, no processo de “Drug Design and Discovery”... Se quiserem conferir: Chemical Intuition in Drug Design and Discovery, Curr. Top. Med. Chem. 2019. Neste paper, fizemos uma abordagem cronológica separando “termos clássicos” dos “termos modernos” da Química Medicinal, mais ou menos como “nos tempos do rato Wistar” até SBDD & LBDD! Não esqueçam que descobria-se fármacos de grande relevância terapêutica e mercadológica “nos tempos do rato Wistar”....
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Uma nova pequena molécula para o autismo

    

     Muitas pessoas com autismo enfrentam dificuldades em entender os sinais sociais e as expressões faciais, provocando imensas dificuldades para com as interações sociais interpessoais, afetando gravemente sua qualidade de vida.

      Os tratamentos atuais para o autismo se concentram apenas em melhorar o humor, porque tentativas de atenuar os problemas das interações sociais, levaram à irritabilidade e a depressão em muitos pacientes. O arsenal terapêutico contemporâneo não tem soluções farmacológicas eficazes para tratar ou mesmo modular a principal característica central do autismo, ou seja: os déficits sociais.

     Pesquisadores do Centro de Inovação da F-Hoffmann-LaRoche AG, na Basiléia, Suiça, identificaram um novo derivado tricíclico da classe diidro-[1,2,4]triazolo[4,3-a][1,4]benzodiazepínico, denominado balovaptano. Esta pequena molécula, incluída no pipeline da Roche desde 2014, atua como antagonista de receptores 1A de vasopressina (V_1A) no SNC e mostrou-se efetiva e segura, cumprindo com sucesso os ensaios de fase pré-clínica.

      Chegando à Fase II dos ensaios clínicos, a substância apresentou efeitos positivos no comportamento social de homens adultos com autismo, o que confirmou sua eficácia (Sci Transl. Med. 2019, 11; DOI: 10.1126/scitranslmed.aat7838). Segundo os pesquisadores da Roche, liderados pelo neurocientista português Paulo Fontoura (Head of Tanslational Medicine for Neuroscience and Rare Diseases), o maior desafio do projeto foi identificar uma molécula seletiva para V1A, sem efeitos acentuados em receptores renais, do sub-tipo V₂. Nos ensaios clínicos de Fase II, 223 homens em seis centros distintos dos EUA, receberam por via oral, placebo ou dose de balovaptano variando de 1,5 a 10 mg, uma vez ao dia, por 12 semanas. Os pesquisadores observaram modificações nos resultados obtidos com o teste Vineland-II – teste classificatório utilizado para avaliar o comportamento adaptativo das pessoas - quanto as habilidades de comunicação interpessoal da vida diária, o que fará do balavaptano o primeiro fármaco para esta indicação terapêutica, podendo representar significativo aumento na expectativa de controle de um dos mais comprometedores sintomas do autismo (Sci. Transl. Med. 2019, 11; DOI: 10.1126/scitranslmed.aau7356). Os efeitos do balovaptano em crianças com autismo, ainda estão sendo investigados.



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Um novo tipo de isomeria conformacional

Isomerismo é um conceito fundamental em Química, com impacto significativo na Química Medicinal.

           A isomeria traduz o efeito que um arranjo de átomos em uma dada molécula, pode ter sobre suas propriedades químicas e físicas. Em meados de 2018, precisamente em um paper datado de maio, publicado na Nature Chemistry (volume 10, pp. 615–624; DOI: 10.1038/s41557-018-0043-6) e assinado por Jeffrey R. Reimers, Universidade de Shangai,  Maxwell J. Crossley e seu orientado de doutorado  Peter J. Canfield da Universidade de Tecnologia de Sydney, com a colaboração de Iain M. Blake, Zheng-Li Cai, Ian J. Luck, Elmars Krausz e Rika Kobayashi, foi descrito um novo tipo de isomeria conformacional, denominada acamptisomeria (do inglês akamptisomers, inspirado na palavra grega que significa inflexible). Este tipo de isomeria ocorreu em derivados quinoxalinoporfirinícos, contendo uma ponte boro-oxigênio-boro (-N-BF-O-BF-N-), apresentando dois pares de enantiómeros que manifestaram relações estruturais não descritíveis pela nomenclatura e terminologia existente da IUPAC. Nestes compostos ocorreu uma interconversão diastereomérica térmica, com barreira de 104 ± 2 kJ mol-1, que os autores denominaram "isomerisomerização" compreendendo processos de interconversão conformacional em que ponte central (FB-O-BF) orienta os átomos de halogênio em oposição um ao outro, como ilustrado na Figura a seguir:

                            

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A Intuição em Química Medicinal

Li, já faz um bom tempo, uma frase de Corwin Hansch (1918-2011), considerado por muitos como o “pai do QSAR”, onde ele afirmava que o Químico Medicinal é o profissional da Ciência que lida com maior número de variáveis, concomitantemente. Esta sentença pode ser interpretada como um sinal de alerta para os grandes riscos inerentes ao processo de descoberta de um novo fármaco. De fato, pode-se ilustrar o nível de dificuldades ou imprevistos deste processo colocando-se a Química Medicinal num tabuleiro de xadrez! Neste jogo, a tomada de decisões é constante e nem sempre se dá em situações simples. Pessoalmente, gosto desta analogia. Considero o exercício da Química Medicinal como uma contínua partida de xadrez..., onde se joga com um time de jogadores, apoiando as decisões ou os movimentos do jogador que fica no tabuleiro!

     Mais recentemente li vários artigos, publicados em diferentes periódicos prestigiosos, sobre fatores que podem influenciar as “tomadas de decisões” do químico medicinal durante um projeto de drug discovery (DD). Cito apenas um, cujo título é bastante sugestivo: “....Inside the mind of a medicinal chemist...” (PS Kutchukian et al., PLoS One 2012, 7, e48476, DOI:10.1371/journal.pone.0048476.
Considero muito complicado escolher qualidades pessoais, que possam definir aptidões para se exercer determinadas funções ou atividades profissionais. Entretanto, arisco mencionar que em Ciência alguns fatores desejáveis podem ser a curiosidade e persistência, entre outros. Vários autores descrevem como atributos pessoais relevantes ao sucesso profissional de alguém, a criatividade, inteligência, experiência e por aí vai. Não vou por este caminho, meu ponto pode ser exemplificado pela lógica ou não (pela intuição) nas “tomadas de decisão” dos químicos medicinais envolvidos em projetos de DD.  Seja um problema simples, como aonde incluir um substituinte alquila em um anel benzênico terminal, em uma molécula promissora, que merece uma otimização. Sua inclusão pode se dar em três posições: para- (1), meta- (2) ou orto- (2), em relação ao substituinte já presente (R). A posição para- deverá ser a preferida, pois manifestará efeitos eletrônicos diretamente sobre a posição de R, sem que se introduza no anel aromático “dissemetria” que a posição meta- (2 posições) e orto- (2 posições) promoveriam, i.e. os “lados” do anel ficariam dissimétricos em razão do plano determinado pela ligação do substituinte R, e complicaria a racionalização do eventual efeito observado, por fatores conformacionais, ausentes no derivado com substituinte alquila em para- (1 posição). Além disso, a introdução do grupo alquila em orto- agrava as consequências conformacionais pelo efeito orto promovido pelo substituinte novo.

     De fato, os substituintes em para- predominam nas moléculas bioativas. Neste nosso exemplo não ficou definido a natureza do grupo alquila introduzido. Na figura aparece uma metila, mas sendo um grupamento alquila, poderia ser qualquer um, a priori. A decisão pela metila pode ser um exemplo de decisão intuitiva do químico medicinal.
     O químico medicinal confia em sua intuição para decidir ou tomar decisões em programas de pesquisas. Neste exemplo a decisão é simples, porém quando volumes enormes de dados são disponíveis envolvendo propriedades farmacodinâmicas e farmacocinéticas de muitos compostos de várias séries congêneres a “tomada de decisão” requer priorizações bem mais difíceis. Senão, vejamos: considerando as 69 milhões de substâncias orgânicas cadastradas no Chemical Abstracts Service (CAS), os 36 milhões de registros científicos e patentes, vê-se que o espaço químico conhecido é imenso e em contínuo crescimento. Os 3 milhões de químicos ativos no mundo publicaram mais de 800.000 documentos, contendo inúmeras novas moléculas. O número de pedidos de patentes em química atingiu 340.000, descrevendo mais substâncias. Metade dos medicamentos existentes em 1996, podiam ser descritos pelos 32 scaffolds mais frequentes e suas 20 principais cadeias laterais representavam 73% do total identificado em todos os medicamentos comercializados na época. Dados mais recente indicam que são 10⁶⁰ moléculas passíveis de apresentarem propriedades necessárias aos fármacos, sendo que os 50 principais scaffolds estão presentes em 50-52% das moléculas dos medicamentos utilizados. Inúmeros autores afirmam que os anéis aromáticos são os principais scaffolds dos fármacos contemporâneos. Por tudo isso, vê-se que a intuição química, frequentemente utilizada pelos químicos medicinais hábeis e experientes, é um fator bem reconhecido, no complexo processo de “tomada de decisões” da Química Medicinal.

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Serendipidade e a descoberta de fármacos: penicilina.

     Não fui capaz de me assegurar se este termo consta do Aurélio, pois a versão “soft” que tenho não é recente. O encontrei no dicionário Houaiss, on-line, acessível para assinantes no site Uol, com o significado: “aptidão, faculdade ou dom de atrair o acontecimento de coisas felizes ou úteis, ou de descobri-las por acaso”. Esta definição me levou a resumi-la como algo do tipo: “acidente feliz!”
Interessante que ao confirmar sua inclusão no vernáculo, pude constatar que muitas definições possíveis da Web, vincula-o às descobertas científicas. Portanto, cabe associá-lo ao processo de descoberta de fármacos, ou “drug discovery”.

Inúmeros autores já se debruçaram sobre este tema. Várias são suas listas, quanto aos fármacos frutos destes “acidentes felizes” e alguns estão presentes em muitas daquelas listas. Decidi que seria melhor focar num destes fármacos, tendo como possível critério de escolha, a presença unânime, se possível, ou uma presença majoritária e significativa em muitas delas. Daí emergiu a penicilina, cuja descoberta data de 1928, feita por Alexander Fleming, um médico escocês que trabalhava como microbiologista na Inglaterra, no início do século passado.

É fato que a descoberta da penicilina pode ser considerada, com justiça, como um feito científico diferenciado do século 20! Entendo que a penicilina mereça ser classificada como uma das “Moléculas da Vida”, pois foi a mãe dos antibióticos que deram “vida” a declaração de Pasteur: “La vie empeche la vie!”  Esta frase de Pasteur referia-se às propriedades que alguns organismos possuíam, através seus mecanismos químicos de defesa, que tornava-os capazes de matar predadores. De fato, esta frase de Pasteur, retomada no contexto de Fleming, traduz a base da antibioticoterapia! Substâncias oriundas de um organismo, que apresentam letalidade a outros.

Foi desta forma que Fleming iniciou a descoberta fortuita da penicilina, em seus laboratórios do Departamento de Inoculação do Hospital St Mary´s, em King Cross, Londres, numa tarde de setembro, tipicamente nublada do fim do verão londrino, de 1925. Diz a história que ele observou, ao regressar de férias ao laboratório, uma placa de Petri contaminada com inesperado halo de inibição, prevenindo o crescimento uniforme de uma cepa de estafilococos, lá dispersada. A proximidade desta placa à uma janela mal fechada, aos fundos do laboratório do andar em que ficava o seu, de microbiologia, parecia indicar uma contaminação fúngica, provavelmente vinda do andar inferior, onde havia um de produção de vacinas para alergias, utilizando fungos. A partir desta observação, a serendipidade aguçada de Fleming propiciou a identificação posterior do fungo contaminante (Penicillium notarum), e do efeito do componente químico produzido, responsável pela inibição do crescimento da cepa bacteriana de estafilocos na placa. Sua primeira publicação sobre o papel das propriedades antibióticas do fungo Penicillium spp. data de dezembro de 1928 e teve o título “Cultures of a Penicillium”.

Alguns anos se passaram até que um pesquisador australiano se associou à Cátedra de Patologia da Universidade de Oxford, Howard Florey, em 1932, e se interessou pela penicilina descrita por Fleming. Em seguida, em 1938, Ernst D. Chain, um químico da mesma Universidade de Oxford, se debruçou no estudo da instabilidade química da penicilina. Os trabalhos destes grupos resultaram numa publicação, em 1949 e tiveram suporte financeiro posterior, da Fundação Rockefeller, de Nova Iorque, EUA, que propiciou o isolamento e produção fermentativa da penicilina, ainda em pequena escala. Outros pesquisadores se associaram, posteriormente, à equipe de Chain & Florey, como Edward Abraham, que foi responsável pelos estudos de estabilidade química da penicilina, constatando que não resistia a acidez do trato gastrointestinal.  

Alguns autores associam a penicilina aos estudos sobre o uso da via injetável para a administração de fármacos. Não fosse devido à sua labilidade química, prevenindo seu uso por via oral, provavelmente não se teria aprendido, tão cedo, sobre a utilização das vias injetáveis para a administração de medicamentos. Também pode-se associar à penicilina, uma das primeiras iniciativas exitosas de se aproximar o setor acadêmico, onde iniciou-se a história da penicilina, à indústria. Esforços de Chain, junto às empresas inglesas da época como Burroughs Welcome, Boots Co., Imperial Chemical Industries (ICI), para a produção em escala da penicilina, não lograram sucesso. Por outro lado, Florey fez o mesmo tipo de esforços junto a empresas americanas, como Merck Co., E. R. Squibb & Sons, Charles Pfizer Co. e Lederle Laboratories. Após alguns recuos, Merck, Squibb e Pfizer concordaram em associarem-se num esforço conjunto para produzirem penicilina. Algum pouco tempo depois, as empresas Abbott, Eli Lilly, Parke, Davis Co., Upjohn Co. e Wyeth juntaram-se para, em novembro de 1942, nos laboratórios desta última, produzirem a primeira batelada de penicilina. Concomitantemente a estes esforços de desenvolvimento da penicilina, nos laboratórios Dyson Perrin da Universidade de Oxford, Sir Robert Robinson e colaboradores, estudavam métodos de síntese da penicilina, objetivando elucidar sua estrutura química. Em fins de 1943, pesquisadores de Oxford e da Merck concluíam que a penicilina teria uma das duas possíveis estruturas (1) ou (2):

A primeira (1) com um sistema benzil-oxazolona ligado ao anel tiazolidínico, enquanto que a estrutura alternativa (2) teria um raríssimo anel de quatro membros b-lactâmico, fundido ao mesmo anel dieterocíclico. Um esforço inter-laboratorial foi iniciado, visando obterem-se sinteticamente, ambos compostos, para comprovação da sua estrutura química. A despeito destes esforços, envolvendo inúmeros laboratórios em ambos lados do Atlântico, nenhum resultado conclusivo emergiu.

Finalmente, pouco tempo antes do término da Segunda Guerra Mundial, a estrutura da penicilina foi elucidada pelos esforços de Dorothy C. Hodgkin, em Oxford, que logrou através estudos de cristalografia de raios-X, confirmar a presença da subestrutura b-lactâmica na molécula da penicilina, contrariando a preferência estrutural de Sir Robinson, já Nobelista, à época.

 

 

A partir de 1948, a penicilina passou a ser prescrita contra várias infecções até então letais, merecendo, portanto, a classificação de molécula salva-vidas, surgida pela observação perspicaz de Sir Fleming. Não somente por justiça e reconhecimento, mas por mérito científico A. Fleming, H. Florey e E. B. Chain foram agraciados com o Nobel de Fisiologia e Medicina em 1945, assim como D. C. Hodgkin que, em 1964, ganhou o Prêmio Nobel de Química, tendo sido a primeira inglesa premiada.

Muitos outros fármacos de grande importância terapêutica surgiram, fruto de “acidentes felizes”, ou serendipidade, merecendo citação a clorpromazina (3), clordiazepóxido (4), imipramina (5), simvastatina (6) e sildenafila (7), para nomear apenas alguns, distribuídos cronologicamente. Especialistas e estudiosos do tema afirmam que ca. 24% dos fármacos disponíveis no arsenal terapêutico contemporâneo originaram-se do processo de serendipidade, diretamente, como vários “first-in-class” e outros membros seguintes da classe terapêutica (me-too). Por exemplo, após a simvastatina (6), primeiro fármaco da classe das estatinas, vários me-too apareceram posteriormente, destacando-se a atorvastatina (8), considerada a segunda geração da classe destes anti-lipêmicos inibidores da enzima hidróximetilglutaril-CoA-redutase (HMGCoA-R), fármaco recordista em vendas na história dos medicamentos, rendendo à Pfizer o montante de  >US$ 150 bilhões durante o tempo de vigência de sua patente, que esgotou-se em 2011.



Espero ter exemplificado neste post a importância da serendipidade (= perspicácia + atenção) e da sorte que, segundo Pasteur, em Ciência, sempre sorri para quem trabalha e está “ligado” no seu projeto de pesquisa. Portanto, pós-graduandos, cultivem e aprimorem sempre vossa serendipidade, pois na descoberta de fármacos também pode ser um importante ingrediente!

Obrigado por lerem.